潘曉貝

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000)

嵌入式系統(tǒng)是在單片機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的專用計算機(jī)系統(tǒng),具有系統(tǒng)內(nèi)核小、專用性強(qiáng)、系統(tǒng)精簡、實效性高等優(yōu)點,將其與電子信息技術(shù)相結(jié)合,可以廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制、交通管理、信息家電、國防與航天等多個行業(yè)和領(lǐng)域中,發(fā)揮著越來越重要的作用。但是在實際應(yīng)用過程中,仍面臨著較多的技術(shù)難題,尤其是系統(tǒng)可靠度優(yōu)化方面,經(jīng)常出現(xiàn)可靠度不穩(wěn)定現(xiàn)象,無法保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。如何通過優(yōu)化提高系統(tǒng)可靠性,是當(dāng)前嵌入式電子信息系統(tǒng)推廣應(yīng)用過程中的研究熱點。

1 嵌入式系統(tǒng)

圖1 嵌入式電子信息系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的本質(zhì)為專用計算機(jī)系統(tǒng),能夠?qū)C(jī)器、裝置等大型設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制,當(dāng)前國內(nèi)比較認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)概念為:以應(yīng)用為中心,以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟硬件可裁剪,適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置兩部分,其中嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)為關(guān)鍵組成,又可按照層級結(jié)構(gòu)分為硬件層、中間層和軟件層,而控制指令則由執(zhí)行裝置負(fù)責(zé)完成,所以也叫做被控制對象[1]。嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核小,具有較強(qiáng)的專用性和實效性,并且系統(tǒng)組成簡單,有著多方面的應(yīng)用優(yōu)勢,所以已經(jīng)在工業(yè)、交通、家電、國防、航天等行業(yè)和領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。同時,隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展,為嵌入式系統(tǒng)提供了先進(jìn)技術(shù)支持,其智能化程度在不斷提高,嵌入式電子信息系統(tǒng)如圖1所示它是必然發(fā)展方向,而對系統(tǒng)開發(fā)及設(shè)計也提出了更高要求,所以加大對其可靠度優(yōu)化研究是非常重要且必要的。

2 影響嵌入式電子系統(tǒng)可靠度的主要因素

在對嵌入式電子系統(tǒng)可靠度優(yōu)化展開研究之前,應(yīng)先明確影響其可靠度穩(wěn)定性的主要因素,具體包括硬件環(huán)境、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序。首先,嵌入式電子系統(tǒng)運行的實現(xiàn),需要建立在穩(wěn)定的硬件環(huán)境基礎(chǔ)上的,可以為操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序提供平臺支撐。嵌入式電子信息系統(tǒng)硬件組成復(fù)雜,并且如果系統(tǒng)所用應(yīng)用程序不同時,則其所能適應(yīng)的硬件環(huán)境也存在較大差異,多樣性特點明顯,系統(tǒng)較小時,其數(shù)據(jù)空間和程序空間也比較小,僅有1kB和16kB左右,當(dāng)系統(tǒng)較大時,其FLASH MEMORY和SRAM則分別可以達(dá)到32MB和128MB,如果系統(tǒng)具有較高的實時性要求,則還需要增設(shè)64位處理器,保證其工作頻率達(dá)到1GHz[2]。同時,系統(tǒng)I/O端口、外設(shè)器件、圖形控制器等硬件設(shè)備,自身工作性能的是否良好,也會對系統(tǒng)可靠度造成影響,其次,對于嵌入式電子系統(tǒng)來講,操作系統(tǒng)是其運行的關(guān)鍵所在,主要負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度和控制,內(nèi)嵌式芯片的重要性不言而喻。雖然內(nèi)嵌式芯片內(nèi)核精簡、易于配置、穩(wěn)定性良好,但是實際應(yīng)用過程中往往出現(xiàn)于系統(tǒng)不兼容問題,影響了內(nèi)嵌式芯片的工作性能,進(jìn)而整個系統(tǒng)可靠度也會降低。再者,雖然操作系統(tǒng)提供了較為完整的嵌入式運行結(jié)構(gòu),但是程序編程環(huán)境卻存在較大差異。同時,嵌入式系統(tǒng)本身自帶的ROM的容量有限,系統(tǒng)在執(zhí)行特定任務(wù)指令使,需要依托EOS才可完成的,但是因系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力,在對其進(jìn)行二次開發(fā)時,需要借助專用工具,并且在特定環(huán)境下才能實現(xiàn),也會引發(fā)系統(tǒng)可靠度不穩(wěn)定問題[3]。這些因素都會對嵌入式電子系統(tǒng)可靠度造成影響,無法保證系統(tǒng)運行具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性,不利于調(diào)度和控制的實現(xiàn)。

3 嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度優(yōu)化模型

為改善嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度不穩(wěn)定問題,可綜合其可靠度衡量指標(biāo),包括平均壽命、失效率、故障密度函數(shù)、可用度進(jìn)行分析考慮,構(gòu)建可靠度優(yōu)化模型,以提高可靠度優(yōu)化精準(zhǔn)性。

3.1 系統(tǒng)平均壽命優(yōu)化

系統(tǒng)平均壽命長短不同時,其可靠度會存在一定差異,所以可就平均壽命設(shè)定約束條件并構(gòu)建優(yōu)化模型,對嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠性展開研究。如果嵌入式電子信息系統(tǒng)運行時,用{X(m),m=0,1…,n}表示其一個呈正態(tài)分布的隨機(jī)過程,用E=(i0,i1,…,in)表示狀態(tài)集,則與隨機(jī)變量(X(0),X(1),…,X(n))一一對應(yīng),此時存在約束條件為

P(X)|[X(n)=in,X(n-1)=in-1,…,X(0)=i0]=P(X)|[X(n)=in]。

3.2 系統(tǒng)失效率優(yōu)化

一般情況下,嵌入式電子信息系統(tǒng)失效現(xiàn)象包括早期失效、偶然失效和特定失效3種情況,3個時期的失效率大小是不一定的。結(jié)合規(guī)定失效率和使用壽命對其失效率進(jìn)行綜合分析,可以發(fā)現(xiàn)早期失效和特定失效時期,系統(tǒng)失效率是比較高的,可能會超出規(guī)定失效率范圍,導(dǎo)致系統(tǒng)無法穩(wěn)定運行[4]。首先,對于早期失效,大多都是因為系統(tǒng)剛投入運行所引起的,采取內(nèi)部調(diào)整方法可以避免失效現(xiàn)象發(fā)生。其次,對于特定失效,基本是由系統(tǒng)運行時間過長,發(fā)生老化或故障問題而造成的,在應(yīng)對此類失效現(xiàn)象時,可通過對系統(tǒng)損耗時間進(jìn)行估測,采取有效預(yù)防措施來降低甚至是消除失效率。最后,系統(tǒng)偶然失效階段失效率較低,都是在規(guī)定失效率范圍內(nèi)的,此時系統(tǒng)運行狀態(tài)最為穩(wěn)定,突然加載等偶然因素,是造成偶然失效的主要愿意,需要加強(qiáng)系統(tǒng)監(jiān)測和調(diào)控力度。

3.3 系統(tǒng)故障密度函數(shù)優(yōu)化

在對嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度進(jìn)行判斷時,還需要從故障密度函數(shù)方面考慮,所以在優(yōu)化系統(tǒng)可靠度時,可將其作為約束條件構(gòu)建模型。如果系統(tǒng)所用到的硬件數(shù)量和在t到t+Δt時間段內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù),分別用T0和Nf(t)表示,則其最小故障密度約束條件可用式(1)表示

(1)

此次研究中,在對嵌入式電子信息系統(tǒng)故障密度函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時,可以運用分奇異性半解析處理方法,將系統(tǒng)故障次數(shù)降到最低,則式(1)可演變?yōu)?/p>

(2)

3.4 系統(tǒng)可用度優(yōu)化

除了上述3種衡量指標(biāo)外,對嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度進(jìn)行判斷時,還需要考慮其可用度,以提高可靠度優(yōu)化精準(zhǔn)性[5]。系統(tǒng)可用度與其可用狀態(tài)和故障狀態(tài)有關(guān),如果系統(tǒng)能夠正常使用時用Xk(t)=1表示,系統(tǒng)發(fā)生故障無法正常使用時用Xk(t)=0表示,可其可用度模型用式(3)表示

(3)

以此作為依據(jù),構(gòu)建嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度模型。如果系統(tǒng)壽命與故障維修時間,都是以指數(shù)形態(tài)分布,則故障排除系統(tǒng)恢復(fù)正常運行后,不會對系統(tǒng)壽命造成影響,系統(tǒng)故障概率假設(shè)為B,則此時嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度優(yōu)化模型可表示為

(4)

4 嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度優(yōu)化模型仿真實驗

為證明此次研究所提出的嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度優(yōu)化模型的可行性,設(shè)計仿真實驗平臺對系統(tǒng)進(jìn)行測試,所用實驗工具為Timenet4.0,仿真平臺各項參數(shù)如表1所列。仿真結(jié)果表明,改進(jìn)后的可靠度優(yōu)化模型具有較強(qiáng)的可行性,值得推廣應(yīng)用。

表1 仿真平臺各項參數(shù)

4.1 平均壽命優(yōu)化仿真分析

為突出此次研究所提出的嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度優(yōu)化模型優(yōu)化效果,與王天舒、張功萱、楊曦晨等學(xué)者所提出的可靠度優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行對比分析,繪制出兩個系統(tǒng)平均壽命的變化曲線[6]。通過觀察可以發(fā)現(xiàn),兩種可靠度優(yōu)化方法下,系統(tǒng)的平均壽命都是不穩(wěn)定的,表現(xiàn)出不斷變化,但是此次研究所提出的可靠度優(yōu)化方法下,系統(tǒng)平均壽命明顯高于對比系統(tǒng)。雖然對比系統(tǒng)每分鐘運行0～5s時,平均使用壽命波動幅度較小,但是在10s會呈明顯下降趨勢,即便之后有所提升,但其壽命長度仍然較短且整體下滑。

4.2 失效率優(yōu)化仿真分析

在對失效率進(jìn)行仿真實驗時,除上述所用對比方法外,又采用龐斯棉所提出的設(shè)計方法,繪制變變化曲線并觀察。實驗結(jié)果顯示,2個對比實驗組的嵌入式電子信息系統(tǒng)失效率不夠穩(wěn)定,呈現(xiàn)出明顯的波動。采用此次研究所提出的改進(jìn)優(yōu)化方法,系統(tǒng)失效率整體走向為波動下降的,并且系統(tǒng)運行70 min后不再升高,最終失效率穩(wěn)定在15%左右,較對比實驗組明顯降低。

4.3 故障密度函數(shù)優(yōu)化仿真分析

2個嵌入式電子信息系統(tǒng),分別采用此次研究所提出的可靠度優(yōu)化方法和平均壽命仿真實驗所用到的對比方法進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)隨著系統(tǒng)投入使用時間的不斷延長,其故障率都呈升高趨勢。采用王天舒、張功萱、楊曦晨等學(xué)者所提出的系統(tǒng)可靠度優(yōu)化方法時,其故障率增大幅度較高,而采用優(yōu)化方法的系統(tǒng)故障率增大幅度有限,且始終低于對比組所用方法。

4.5 可用度優(yōu)化仿真分析

仍采用上述所用對比方法,對嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度優(yōu)化進(jìn)行仿真實驗,根據(jù)系統(tǒng)可用度變化曲線可知,在0～45min時間段內(nèi)可用度始終是不斷增大的,45min后呈明顯下降趨勢,并且沒有出現(xiàn)再次升高現(xiàn)象,通過計算得知系統(tǒng)平均可用度僅有32%。而采用此次研究所提出的改進(jìn)方法,可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可用度一直是升高狀態(tài),雖然在0～35min時間段內(nèi)變化幅度較小,但是35min后卻快速升高,并且沒有2次下落,通過計算得知系統(tǒng)平均可用度大約為58%,相較于對比仿真實驗組提升了26%。

5 結(jié)束語

嵌入式電子信息系統(tǒng)有著良好的應(yīng)用前景,為充分發(fā)揮其應(yīng)用價值和應(yīng)用優(yōu)勢,便需要加大對其可靠性優(yōu)化的研究力度,改進(jìn)傳統(tǒng)優(yōu)化方法中的不足,提高系統(tǒng)可靠度及運行穩(wěn)定性。在建立可靠度優(yōu)化模型時,可從平均壽命、失效率、故障密度函數(shù)、可用度四方面進(jìn)行考慮,通過計算得到優(yōu)化模型,仿真實驗表明此次研究中所提出的改進(jìn)方法,具有較高的可行性,能夠提高嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 李洪亮,吳瓊.嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)魯棒性優(yōu)化計算方法[J].計算機(jī)仿真,2016，(8)：264-267.

[2] 李敏.改進(jìn)數(shù)據(jù)可靠度算法在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機(jī)仿真,2016，(6)：282-285.

[3] 白鑫,呂麗平,衛(wèi)琳.嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度優(yōu)化[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，(4)：417-421.

[4] 陳良.嵌入式電子信息系統(tǒng)可靠度的完善措施[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2017，(11)：102-103.

[5] 閆薇.嵌入式艦船電子信息系統(tǒng)的可靠度優(yōu)化方法[J].科技通報,2017,(4):176-180.

[6] 韋麗花,唐露新,張強(qiáng)武,等.LED 舞臺照明燈嵌入式控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015，(3):110-114.